TUJ este un dispozitiv semiconductor cu trei terminale care prezintă rezistență negativă și caracteristici de comutare pentru utilizarea ca oscilator de relaxare în aplicațiile de control al fazei.

Tranzistorul unijoncțiune sau TUJ pe scurt, este un alt dispozitiv semiconductor cu trei terminale, care poate fi utilizat pentru impuls pe poartă, circuite de sincronizare și aplicații cu generator de declanșare pentru a comuta și controla tiristoare și triacuri, pentru aplicații de tip control al puterii AC.

Ca și diodele, tranzistoarele unijoncțiune sunt construite din materiale semiconductoare separate tip-P și tip-N, care formează o singură joncțiune-PN (denumită Uni-Joncțiune) în cadrul canalului tip-N de conducție principal al dispozitivului.

Deși tranzistorul unijoncțiune are numele unui tranzistor, caracteristicile sale de comutare sunt foarte diferite de cele ale unui tranzistor convențional bipolar sau cu efect de câmp, deoarece nu poate fi folosit pentru a amplifica un semnal, ci este folosit ca tranzistor de comutare ON-OFF. TUJ are conductivitate unidirecțională și caracteristici de impedanță negativă acționând mai mult ca un divizor de tensiune variabilă în timpul străpungerii.

La fel ca FET cu canal-N, TUJ constă dintr-o singură bucată solidă de material semiconductor tip-N care formează canalul principal de transport al curentului, cu cele două conexiuni exterioare marcate ca Baza 2 (B2) și Baza 1 (B1). Cea de-a treia conexiune, marcată cu risc de confuzie ca emitor (E), este situată de-a lungul canalului. Terminalul emitor este reprezentat de o săgeată care arată de la emitorul tip-P la baza tip-N.

Joncțiunea P-N de redresare emitor a TUJ este formată prin fuziunea materialului tip-P în canalul de siliciu tip-N. Totuși, sunt disponibile și TUJ-uri cu canal-P, cu un terminal emitor tip-N, dar acestea sunt puțin utilizate.

Joncțiunea emitor este poziționată de-a lungul canalului astfel încât să fie mai aproape de terminalul B2 decât de B1. Se utilizează o săgeată în simbolul TUJ care indică spre bază arătând faptul că terminalul emitor este pozitiv, iar bara de siliciu este material negativ. Mai jos este prezentat simbolul, construcția și circuitul echivalent al TUJ.

Simbolul și construcția tranzistorului unijoncțiune

Observați că simbolul tranzistorului unijoncțiune pare foarte asemănător cu cel al tranzistorului cu efect de câmp cu joncțiune JFET, cu excepția faptului că are o săgeată îndoită reprezentând intrarea Emitor (E). În timp ce sunt similare în privința canalelor lor ohmice, JFET și TUJ funcționează foarte diferit și nu trebuie confundate.

Deci, cum funcționează? Putem vedea din circuitul echivalent de mai sus că, în principiu, canalul tip-N constă din două rezistoare RB2 și RB1 în serie cu o diodă (ideală) echivalentă D reprezentând joncțiunea P-N conectată la punctul lor central. Această joncțiune P-N emitor este fixată în poziție de-a lungul canalului ohmic în timpul fabricației și, prin urmare, nu poate fi modificată.

Rezistența RB1 este dată între emitor E și terminalul B1, în timp ce rezistența RB2 e dată între emitor E și terminalul B2. Deoarece poziția fizică a joncțiunii P-N este mai aproape de terminalul B2 decât de B1, valoarea rezistivă a lui RB2 va fi mai mică decât RB1.

Rezistența totală a barei de siliciu (rezistența sa ohmică) va depinde de nivelul real de dopaj al semiconductorilor, precum și de dimensiunile fizice ale canalului de siliciu tip-N, dar poate fi reprezentată de RBB. Dacă este măsurată cu un ohmmetru, această rezistență statică ar fi de obicei undeva între aproximativ 4 kΩ si 10 kΩ pentru cele mai comune TUJ, cum ar fi 2N1671, 2N2646 sau 2N2647.

Aceste două rezistențe serie produc o rețea de divizare a tensiunii între cele două terminale bază ale TUJ și deoarece acest canal se întinde de la B2 la B1, când se aplică o tensiune pe dispozitiv, potențialul în orice punct de-a lungul canalului va fi proporțional cu poziția sa între terminalele B2 și B1. Nivelul gradientului de tensiune, prin urmare, depinde de valoarea tensiunii de alimentare.

Când este utilizat într-un circuit, terminalul B1 este conectat la masă, iar Emitorul servește ca intrare pentru dispozitiv. Să presupunem că o tensiune VBB este aplicată pe TUJ între B2 și B1 astfel încât B2 este polarizată pozitiv față de B1. Cu o intrare zero aplicată pe Emitor, tensiunea dezvoltată pe RB1 (rezistența inferioară) a divizorului de tensiune rezistiv poate fi calculată ca:

Tensiunea pe RB1 a TUJ

Pentru un TUJ, raportul rezistiv dintre RB1 și RBB prezentat mai sus se numește raportul stand-off intrinsec și este dat de simbolul grecesc: η (eta). Valorile tipice standard ale lui η variază de la 0,5 la 0,8 pentru cele mai comune TUJ-uri.

Dacă o tensiune de intrare pozitivă mică, care este mai mică decât tensiunea dezvoltată pe rezistența RB1 (ηVBB) este acum aplicată la terminalul Emitor, joncțiunea P-N a diodei este polarizată invers, oferind astfel o impedanță foarte mare și dispozitivul nu conduce. TUJ este comutat "OFF" și nu circulă curent.

Dar, atunci când tensiunea de intrare pe emitor este crescută și devine mai mare decât VRB1 (sau ηVBB + 0,7 V, unde 0,7 V este căderea de tensiune pe joncțiunea P-N a diodei), joncțiunea P-N devine polarizată direct și TUJ începe să conducă. Rezultatul este că ηIE (curentul de Emitor) acum curge de la Emitor în regiunea Bază.

Efectul curentului de Emitor suplimentar care curge în Bază reduce porțiunea rezistivă a canalului între joncțiunea Emitor și terminalul B1. Această reducere a valorii rezistenței RB1 la o valoare foarte scăzută înseamnă că joncțiunea emitor devine și mai mult polarizată direct, rezultând un flux de curent mai mare. Efectul acestuia rezultă într-o rezistență negativă la terminalul Emitor.

De asemenea, în cazul în care tensiunea de intrare aplicată între emitor și terminalul B1 scade la o valoare mai mică decât străpungerea, valoarea rezistivă RB1 crește la o valoare ridicată. Atunci, TUJ poate fi considerat ca un dispozitiv de străpungere în tensiune.

Deci, putem vedea că rezistența prezentată de RB1 este variabilă și este dependentă de valoarea curentului de Emitor IE. Atunci, polarizând direct joncțiunea Emitor în raport cu B1 se produce o curgere mai mare de curent, ceea ce reduce rezistența dintre emitor E și B1.

Cu alte cuvinte, fluxul de curent în emitorul TUJ determină scăderea valorii rezistive a lui RB1, iar căderea de tensiune pe acesta VRB1 trebuie și ea să scadă, permițând flux mai mare de curent ce conduce la o stare de rezistență negativă.

Aplicații ale TUJ

Acum, când știm cum funcționează un TUJ, pentru ce poate fi folosit? Aplicația cea mai comună a unui TUJ este ca dispozitiv de declanșare pentru SCR-uri și Triacuri, dar alte aplicații TUJ includ generatoare dinți de fierăstrău, oscilatoare simple, controlul fazei și circuite de temporizare. Cel mai simplu dintre toate circuitele TUJ este Oscilatorul de relaxare care produce forme de undă nesinusoidale.

Într-un circuit oscilator de relaxare TUJ tipic, terminalul Emitor al TUJ este conectat la joncțiunea unui rezistor conectat în serie cu un condensator, circuit RC, după cum se arată mai jos.

Oscilator de relaxare cu TUJ

Când se aplică prima dată o tensiune (Vs), TUJ este "OFF", iar condensatorul C1 este complet descărcat, dar începe să se încarce exponențial prin rezistorul R3. Deoarece emitorul UJT este conectat la condensator, când tensiunea de încărcare Vc pe condensator devine mai mare decât valoarea căderii de tensiune pe diodă, joncțiunea P-N se comportă ca o diodă normală și devine polarizată direct, declanșând TUJ în conducție. Tranzistorul unijoncțiune este "ON". În acest moment, impedanța emitor-B1 scade brusc deoarece emitorul trece într-o stare saturată cu impedanță scăzută, și are loc circulația de curent Emitor prin R1.

Deoarece valoarea ohmică a rezistorului R1 este foarte mică, condensatorul se descarcă rapid prin TUJ și un impuls de tensiune în creștere rapidă apare pe R1. Deoarece condensatorul se descarcă mai repede prin TUJ decât se încarcă prin rezistorul R3, timpul de descărcare este mult mai mic decât timpul de încărcare.

Când tensiunea pe condensator scade sub punctul de menținere al joncțiunii P-N (VOFF), TUJ comută OFF și nu intră curent în joncțiunea emitorului, astfel încât din nou condensatorul se încarcă prin rezistorul R3 și acest proces de încărcare și descărcare între VON și VOFF este repetat constant cât timp există o tensiune de alimentare Vs aplicată.

Forme de undă ale Oscilatorului TUJ

Vedem că oscilatorul unijoncțiune comută continuu "ON" și "OFF" fără feedback. Frecvența de operare a oscilatorului este direct afectată de valoarea rezistenței de încărcare R3, în serie cu condensatorul C1 și valoarea lui η. Forma impulsului de ieșire generat de la terminalul B1 este cea a unei forme de undă dinte de fierăstrău și pentru reglarea perioadei de timp, trebuie doar să modificați valoarea ohmică a rezistenței R3, deoarece ea stabilește constanta de timp RC pentru încărcarea condensatorului.

Perioada de timp T a formei de undă dinte de fierăstrău va fi dată ca timpul de încărcare plus timpul de descărcare al condensatorului. Deoarece timpul de descărcare τ1 este, în general, foarte scurt în comparație cu timpul de încărcare RC mai mare τ2 perioada de oscilație este mai mult sau mai puțin echivalentă cu T ≅ τ2. Prin urmare, frecvența de oscilație este dată de ƒ = 1/T.

Oscilator TUJ. Exemplul nr.1

Foaia de date pentru un TUJ 2N2646 dă raportul stand-off intrinsec η ca 0,65. Dacă se folosește un condensator de 100 nF pentru a genera impulsuri de sincronizare, calculați rezistorul de temporizare necesară pentru a produce o frecvență de oscilație de 100 Hz.

1. Perioada de temporizare este dată de:

2. Valoarea rezistorului de temporizare R3 se calculează după cum urmează:

Atunci, valoarea rezistorului de încărcare cerut în acest exemplu simplu este calculată la 95,3 kΩ la cea mai apropiată valoare standard. Totuși, există anumite condiții necesare pentru ca oscilatorul de relaxare TUJ să funcționeze corect, deoarece valoarea rezistivă a lui R3 poate fi prea mare sau prea mică.

De exemplu, dacă valoarea R3 a fost prea mare, (Megohmi), condensatorul nu se poate încărca suficient pentru a declanșa emitorul unijoncțiune în conducție, dar trebuie să fie suficient de mare pentru a se asigura că TUJ comută "OFF" odată ce condensatorul a fost descărcat sub tensiunea de declanșare inferioară.

De asemenea, dacă valoarea R3 era prea mică (câteva sute de ohmi), o dată declanșat, curentul care circulă în terminalul Emitor poate fi suficient de mare pentru a conduce dispozitivul în regiunea sa de saturație, împiedicându-l să comute complet "OFF". Oricum, circuitul oscilator unijoncțiune nu va oscila.

Circuit de control al vitezei cu TUJ

O aplicație tipică a circuitului cu TUJ de mai sus este de a genera o serie de impulsuri de aprindere și de a controla un tiristor. Utilizând TUJ ca circuit de declanșare a controlului de fază împreună cu un SCR sau Triac, putem regla viteza unui motor universal AC sau DC așa cum se arată.

Folosind circuitul de mai sus, putem controla viteza unui motor serie universal (sau orice tip de sarcină dorim, lămpi, încălzitoare, etc.) prin reglarea curentului care curge prin SCR. Pentru a controla viteza motoarelor, schimbați pur și simplu frecvența impulsului dinte de fierăstrău, care se realizează prin modificarea valorii potențiometrului.

Rezumat Tranzistor Unijoncțiune

Am văzut că un tranzistor Unijoncțiune, sau TUJ pe scurt, este un dispozitiv semiconductor electronic care are o singură joncțiune p-n într-un canal ohmic ușor dopat tip-N (sau tip-P). TUJ are trei terminale, unul etichetat Emitor (E) și două baze (B1 și B2).

Două contacte ohmice B1 și B2 sunt atașate la fiecare extremitate a canalului semiconductor cu rezistența dintre B1 și B2, atunci când emitorul este circuit deschis, denumită rezistența interbază RBB. Dacă măsurați cu un ohmmetru, această rezistență statică ar fi, de obicei, undeva între aproximativ 4 kΩ și 10 kΩ pentru cele mai comune TUJ-uri.

Raportul dintre RB1 și RBB este numit raportul stand-off intrinsec și este dat de simbolul grec: η (eta). Valorile tipice standard ale lui η variază de la 0,5 la 0,8 pentru cele mai comune TUJ-uri.

TUJ este un dispozitiv de declanșare care poate fi utilizat într-o varietate de circuite și aplicații, de la aprinderea tiristoarelor și triacurilor până la utilizarea în generatoare de dinte de fierăstrău pentru circuitele de control al fazei. Rezistența negativă caracteristică TUJ este foarte utilă ca un simplu oscilator de relaxare.

Când este conectat ca un oscilator de relaxare, acesta poate oscila independent fără un circuit rezervor sau o rețea de feedback RC complicată. Când este conectat în acest fel, TUJ este capabil să genereze un tren de impulsuri de durată variată, pur și simplu, prin modificarea valorilor unui singur condensator (C) sau rezistor (R).

TUJ frecvent disponibile includ 2N1671, 2N2646, 2N2647, etc, cu 2N2646 fiind cel mai popular TUJ pentru utilizare în generatoare de impuls și dinte de fierăstrău și circuite de întârziere. Alte tipuri de dispozitive TUJ disponibile se numesc TUJ-uri programabile, care pot avea parametrii de comutare stabiliți de rezistențe externe. Cele mai comune sunt 2N6027 și 2N6028.

REFERINȚE

Tranzistor unijoncțiune